KR101733583B1 - 코팅된 골재를 이용한 고강도 지오폴리머/골재 복합체 제조방법 - Google Patents

Abstract

석탄회 지오폴리머에 골재, 특히 폐자원으로 제조된 인공골재를 혼합하여 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 공정에 있어, 혼합 방식을 개선하여 고강도의 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 방법이 개시된다. 본 발명은 실리카(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 하는 석탄회, 코팅 용액으로 코팅된 골재 및 알칼리 활성화제를 혼합, 성형 및 경화시켜 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

코팅된 골재를 이용한 고강도 지오폴리머/골재 복합체 제조방법{PREPARING METHOD OF HIGH STRENGTH GEOPOLYMER/AGGREGATE COMPOSITE USING COATED AGGREGATE}

본 발명은 지오폴리머/골재 복합체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코팅된 골재를 이용한 고강도 지오폴리머/골재 복합체 제조방법에 관한 것이다.

현재 대부분의 건설현장에서 일반적으로 사용되는 콘크리트는 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하고 있다. 포틀랜드 시멘트는 제조과정에서 많은 양의 이산화탄소를 배출한다. 전세계적으로 포틀랜드 시멘트의 제조량은 해마다 3%씩 증가하고 있으며 포틀랜드 시멘트의 제조과정에서 발생하는 온실가스 배출량은 약 135만톤에 이른다. 이는 대기 중에 배출되는 전세계 온실가스 배출량의 약 7%를 차지한다.

이에 많은 연구자들이 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 노력과 시멘트를 대체할 수 있는 새로운 재료의 개발에 많은 관심을 기울이고 있다. 이 중 가장 주목을 받고 있는 재료 중 하나가 지오폴리머(geopolymer)이다. 지오폴리머는 제조할 때 소결과정이 없어 탄소 배출이 거의 없는 공정을 갖고 있다.

지오폴리머는 자연적으로 산출된 제올라이트상과 유사한 인공 합성체로서 시멘트와 비교하여 다음과 같은 장점을 가진다. 첫째, 혼화재를 첨가하지 않아도 100MPa 이상의 강도가 발현되며, 재령 초기 뿐 아니라 장기 재령 시에도 강도 발현이 우수하다. 둘째, 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 수화열에 비해 30~50% 정도 낮은 발열특성을 나타낸다. 셋째, 700℃ 이상에서도 성능이 유지된다. 이외에도 내약품성, 동결융해 저항성, 철근 보호성 등 그 특성이 시멘트와 비교하여 우수하다는 특징을 갖는다. 이로 인해 지오폴리머는 포틀랜드 시멘트를 대체할 건설 건축재료로 각광받으며 최근 20여년간 세계적으로 연구되어 왔다.

이러한 지오폴리머는 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃) 등을 다량 함유하고 있는 광물이 알칼리 이온에 의해 활성화되어 축중합반응을 일으켜 생성된 3차원의 Si-O-Al-O 망목구조를 갖는 경화체로서, SiO₂, CaO 등이 물과 반응하여 C-S-H 계통의 겔(gel)을 형성하여 경화되는 시멘트 반응과는 큰 차이가 있다. 또 다른 장점은 석탄회나 고로슬래그 등의 폐기물도 알루미나와 실리카로 구성되어 있어 지오폴리머의 원료로 사용이 가능하기 때문에 폐자원 재활용에도 기여할 수 있다는 점이다.

최근의 지오폴리머 연구는 여러 기능성을 갖는 2차 제품 개발에 집중되는 경향을 보인다. 한 예로 지오폴리머에 여러 가지 특성의 골재를 첨가하여 복합체를 제조하면 이를 흡음재료, 경량재료, 농경재료, 바이오정화재료 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다. 그러나 지오폴리머에 골재를 단순 혼합하여 복합체를 제조할 경우 복합체의 강도가 현저히 저하되는 문제가 있다.

[비특허문헌]

(1) J. Davidovits, M. Davidovics, "Geopolymer room temperature ceramic matrix for composites"., Ceram Eng. Sci. Proc. 9, 835-842 (1988).

(2) A. Palomo, A. Macias, M. Y. Blanco, F. Puertas, "Physical, chemical and mechanical characterization of geopolymers"., 9^th Int. Cong. Chem. Cem. 9, 505-511 (1992).

(3) J. Davidovits, "Geopolymer cements to minimise carbon-dioxide greenhouse-warming"., Ceram Trans. 37. 165-182 (1993).

(4) E. Gartner, "Industrially interesting approaches to 'low-CO2' cement"., Cem Concr Res. 34, 9, 1489-1498 (2004).

(5) J. Davidovits, "Geopolymers and geopolymeric materials"., J Therm Anal. 35. 2, 429-441 (1989).

(6) J. Davidovits et al. "Process for obtaining geopolymeric alumino-silicate and products thus obtained"., US patent USA 5., 342., 595 (1994).

(7) B.E. Laney., "Geopolymer-modified gypsum-based construction materials"., US Patent 5, 194, 091 (1993).

(8) P.G. Malone., T. Kirkpatrick., C.A. Randall., "Potential applications of alkali-activated alumino-silicate binders in military operations"., Report/WES/MP/GL-85-15, US Army, Corps of Engineers., Vicksburg, MS (1986).

(9) S. Slanicka. "The influence of fly ashfineness on the strength of concrete", Cem Concr Res. 21, 2-3., 285-296 (1991).

(10) CS. Poon, ZH. Shui, L. Lam, "effect of microstructure of ITZ on compressive strength of concrete prepared with recycled aggregate"., Constr Build Mater. 18, 6, 461-468 (2004)

(11) M. Etxeberria, A. Mari, E. Vazques, "Recycled aggregate concrete as structural material"., Mater Struct. 40, 5, 529-541 (2007).

(12) M. Limbachiya, MS. Meddah, Y. Ouchagour, "Use of recycled concrete aggregate in fly-ash concrete"., Constr Build Mater, 27, 1, 439-449 (2012).

(13) W. Tangchirapat, R. Buranasing, C. Jaturapitakkul, P. Chindaprasirt., "Influence of rice husk-bark ash on mechanical properties of concrete containing high amount of recycled aggregate"., Constr Build Mater., 22, 8, 1812-1819 (2008).

(14) D. W. Lee, N. S. Kim, Y. M. Kang, M. J. Yun, "The mechanical properties of porous concrete using recycled asphalt aggregate"., J. Korean Geosynthetics Society., 10., 1., 37-42(2011).

(15) S. T. Lee, G. C. Kim, C. B. Shin, C. G. Han, "Influences of grading and grade shape in aggregates on the strength and absorption of cement mortar products"., Korea Concrete Institute, 12, 1, 45(2000).

(16) S. U. Lee, "Workability", Report of TY CEMENT., 2005.

(17) U. Rattanasak, P. Chindaprasirt, "Influence of NaOH solution on the synthesis of fly ash geopolymer"., Miner Eng 22. 12. 1073-1078 (2009).

(18) X. Guo, H. Shi, W. A. Dick, "Compressive strength and microstructural characteristics of class C fly ash geopolymer"., Cem Concr Compos 32. 142-147 (2010).

(19) A.S. De Vargas, D.C.C Cal Molin, A.C.F. Vilela, F.J. Pavao, H. Veit, "The effect of Na₂O/SiO₂ molar ratio, curin g temperature and age on compressive strength, morphology and microstructure of alkali-activated fly ash-based geopolymer"., Cem Concr Compos. 33, 653-660 (2011).

(20) S. Alonso, A. Palomo., "Alkaline activation of metakaolin and calcium hydrosicd mixtures: influence of temperatire, activator concentration and solids ratio"., Materials Letters 47.(1-2) 55-62 (2001).

(21) Park Won Jun, 'A study on the relastionship between compressive strength and various prpoerties of recycled aggregate concrete' 대한토목학회논문집, 구조계, 제28편, 제3호, p.43-50, 2012.

따라서 본 발명은 석탄회 지오폴리머에 골재, 특히 폐자원으로 제조된 인공골재를 혼합하여 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 공정에 있어, 혼합 방식을 개선하여 고강도의 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 실리카(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 하는 석탄회, 코팅 용액으로 코팅된 골재 및 알칼리 활성화제를 혼합, 성형 및 경화시켜 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.

또한 상기 코팅 용액은 물, 규산염 용액 및 수산화염 용액으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 코팅 용액은 30~70중량% 농도의 규산염 용액인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 코팅 용액은 4~20M 농도의 수산화염 용액인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

또한 상기 혼합 시 액고비(liquid/solid ration)는 0.6~0.8인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 폐자원 100%로 제조된 인공골재를 제조하고, 이를 석탄회 지오폴리머에 혼합하여 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 공정으로서, 모상 및 골재 모두 100% 폐자원을 재활용하였기 때문에 매우 친환경적이며, 지오폴리머/골재 복합체를 제조함에 있어 미리 골재에 알칼리 용액 등 코팅 용액으로 코팅하여 복합체의 강도를 현저히 증진시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용된 석탄회의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지오폴리머/골재 복합체 제조과정을 설명하는 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시예에서 골재 치환율에 따른 지오폴리머/골재 복합체의 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에서 코팅된 골재를 사용한 지오폴리머/골재 복합체의 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에서 코팅 용액의 종류에 따른 복합체의 모상/골재 경계 부분의 미세구조를 나타낸 사진,
도 6은 본 발명의 실시예에서 지오폴리머/골재 복합체를 제조 시 액고비 변화에 따른 압축강도를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 실시예에서 수산화나트륨 용액으로 코팅한 골재를 사용하여 제조된 복합체의 액고비 변화에 따른 모상/골재 경계 부분의 미세구조를 나타낸 사진,
도 8은 본 발명의 실시예에서 골재 코팅 규산나트륨 용액의 농도에 따른 복합체의 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 실시예에서 골재 코팅 수산화나트륨 용액의 농도에 따른 복합체의 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 실리카(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 하는 석탄회, 코팅 용액으로 코팅된 골재 및 알칼리 활성화제를 혼합, 성형 및 경화시켜 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 방법을 개시한다.

본 발명에서는 석탄회를 원료로 재활용하고, 또한 폐자원으로 제조된 인공골재를 혼합하여 지오폴리머/골재 복합체를 제조함에 있어, 알칼리 용액 등의 코팅 용액으로 골재를 코팅시킨 후 혼합 시 지오폴리머/골재 복합체의 강도를 극적으로 향상시킬 수 있음을 발견하였다.

본 발명에서 사용되는 석탄 비산재는 실리카(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 하며, 산화철(Fe₂O₃)이 상당량 포함되고, 산화나트륨(Na₂O), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 등이 소량 포함될 수 있다. 이때 실리카는 40~60중량%, 알루미나는 10~30중량% 함량으로 함유될 수 있고, 산화나트륨은 0.1~5중량%, 산화칼슘은 1~10중량%, 산화철은 5~20중량%, 산화마그네슘은 0.1~5중량% 함량으로 함유될 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명한다.

고강도 지오폴리머/골재 복합체 제조

먼저, 본 실시예에서 사용된 지오폴리머의 원료는 석탄매립회(coal reclamation ash; CRA)로서 한국의 'S' 화력발전소에서 배출된 것이다. 사용된 석탄회의 화학조성을 분석(X-ray Fluorescence, XRF, SPECTRO 2000)하여 하기 표 1에 나타내었다.

표 1에서와 같이, 주 성분으로 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 등이 포함되어 있으며 CaO가 10wt% 이하여서 F-급 석탄회(F-class fly ash)로 분류된다. 탄소 함량은 비교적 높은 값인 7.5중량%로 나타났다. 또한 도 1의 X-선 회절(X-ray diffraction) 분석(XRD, RINT-8100H/PC) 결과를 참조하면, 석탄회에 존재하는 주 결정상은 쿼츠(quartz)와 멀라이트(mullite) 결정임을 알 수 있다. 원료 석탄회는 핀밀(pin mill)로 분쇄한 뒤, 53㎛ 크기 이하의 것만을 사용하였다.

다음으로, 본 실시예에서 사용된 인공골재로 적점토:석분오니:폐백토가 6:3:1 중량비율로 혼합하여 제조하였다. 각 원료들을 혼합 전에 먼저 핀밀(pin mill)을 이용하여 100㎛ 이하 크기로 분쇄하여 사용하였다. 이후 제조된 혼합물을 조립기(granulator)를 이용하여 지름 1~5mm 크기의 구형으로 성형하였다. 조립기는 지면에 비해 비스듬히 기울어져 있는 원판을 일정속도로 회전시키면서 그 위에 혼합분말과 적정량의 물을 동시에 투입하여 구형의 성형체를 만드는 장치이다.

성형된 구형 골재를 열풍 건조기에서 110℃/48h 조건으로 건조 후, 로터리 킬른에서 1125℃의 온도로 15분간 소성하였다. 얻어진 골재의 밀도는 1.7g/㎤, 흡수율은 12%, 그리고 단위 용적질량은 1.04ton/㎥이었다.

이후 골재의 표면을 액체로 코팅하기 위해서 먼저 성형된 구형 골재를 100℃/24h 조건으로 건조시켰다. 코팅은 코팅 용액에 골재를 24시간 동안 담가 코팅한 후 다시 100℃/24h 조건에서 건조시켜 수행되었다. 코팅 용액으로는 물, 규산염 용액 또는 수산화염 용액이 사용될 수 있으며, 강도 향상 면에서 바람직하게는 규산염 용액 또는 수산화염 용액이 사용될 수 있고, 더욱 바람직하게는 수산화염 용액이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 물, 규산나트륨(sodium silicate) 및 수산화나트륨(NaOH) 용액의 3종을 사용하였다. 물의 경우 탈이온수(deionized water)를 사용하였으며, 다만 물로 코팅한 경우에는 건조시키지 않고 그대로 복합체 제조에 사용하였다. 규산나트륨 용액의 경우 물에 규산나트륨(1^st grade, SiO₂=35~38wt%, Na₂O=17~19wt%, Kanto Chemical Co. Japan)을 0~80중량% 범위로 첨가하여 사용하였고, 수산화나트륨 용액의 경우 4~24M 범위에서 변화시켜 사용하였다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지오폴리머/골재 복합체 제조과정을 설명하는 흐름도이고, 하기 표 2에는 복합체 제조에 사용된 공정 인자들을 나타내었다.

도 2에서와 같이, 알칼리 활성화제, 석탄매립회 및 미리 준비해 둔 코팅 골재를 10분간 혼합한 뒤, 황동 몰드(50×50×50mm)에 손다짐으로 성형한 후, 70℃/24h 조건에서 양생하여 복합체를 제조하였다. 본 실시예에서는 KS 콘크리트 벽돌 기준(KS F 4004; Korea agency for technology and standards)에 따라서 지오폴리머/골재 복합체의 골재 치환율을 70중량%로 정하였다. 또한 코팅되지 않은 골재를 0~70% 범위로 첨가하여 지오폴리머 복합체를 제조하고 강도를 측정하여 골재 첨가량 변화가 강도에 미치는 영향도 함께 파악하였다.

석탄회는 자체적으로 지오폴리머 반응을 할 수 없기 때문에 유리질 피막을 깨고 지오폴리머 반응에 관여하는 Si⁴⁺, Al³⁺ 이온을 용출시켜 반응을 일으킬 수 있는 강알칼리 활성화제를 사용하는데, OH^-의 농도가 높을수록 SiO₂-Al₂O₃ 유리질 결합을 빨리 분해시키고 많은 양의 반응 이온들을 생성하게 된다. 따라서 알칼리 이온 농도가 높으면 석탄회 활성화에 중요한 결정요소로서 알칼리 활성화제가 석탄회의 반응물질 분해를 촉진시켜 높은 강도를 갖는 지오폴리머를 제조할 수 있게 된다.

이러한 알칼리 활성화제로서 석탄회의 실리케이트나 알루미네이트 등의 성분을 녹여서 Si 및 Al 이온을 용출, 생성하도록 하는 수용성 알칼리수산화물이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 증류수에 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH) 등이 혼합된 용액으로 농도 5~25M, 바람직하게는 10~20M의 알칼리 활성화제 용액이 사용될 수 있다. 알칼리 활성화제 용액은 예컨대, 증류수에 수산화나트륨을 적정 농도로 혼합하고, 이를 25~90℃ 온도로 가열하면서 혼합시켜 준비할 수 있다. 본 실시예에서는 알칼리 활성화제로 농도 16M의 수산화나트륨 용액을 사용하였다.

제조된 복합체에 대하여 인장압축시험기(UTM)로 압축강도를 측정하였고, 5kV로 가속된 2차 전자(secondary electrons)를 이용한 주사전자현미경(scanning electron microscope; S-4800, HITACHI, Japan)으로 미세구조를 관찰하였다.

골재 치환율에 따른 복합체의 압축강도

먼저, 골재 치환율에 따른 지오폴리머/골재 복합체의 압축강도를 분석하기 위하여, 코팅시키지 않은 골재를 사용하여 복합체를 제조(liquid/solid ratio 0.4)하고 압축강도를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 비교를 위해 골재를 첨가하지 않은 순수 지오폴리머의 압축강도 값도 함께 나타내었다. 도 3을 참조하면, 골재가 첨가되지 않은 복합체의 경우 압축강도는 15.7MPa 이었으나, 골재 첨가량이 증가하면 압축강도가 낮아지는 경향을 나타낸 것을 알 수 있다.

일반적으로 콘크리트에서도 시멘트에 경량골재를 첨가하면 경량골재의 기공(pore)에 의해서 콘크리트의 압축강도가 감소한다(비특허문헌 (14) 참조). 본 실시예에서 제조된 지오폴리머/골재 복합체 역시 첨가된 골재의 기공에 의해 복합체의 강도가 낮아진 것으로 판단된다. 본 실시예에서는 지오폴리머 복합체를 제조할 때 첨가되는 코팅 골재의 비율을 KS 콘크리트 벽돌 기준에 맞추어 70중량%로 정하였다.

코팅용액 종류에 따른 복합체의 압축강도

도 4에서는 코팅된 골재를 사용한 지오폴리머/골재 복합체의 압축강도를 측정한 결과를 나타내었다. 비교를 위하여 코팅하지 않은 골재를 사용한 복합체에 대한 결과도 함께 나타내었다.

도 4를 참조하면, 코팅하지 않은 골재가 사용된 경우, 그 압축강도는 6.6MPa 이었으나, 어떤 액체로든 코팅된 골재를 사용한 경우, 복합체의 압축강도는 증가한 것을 알 수 있다. 특히 수산화나트륨 용액을 코팅시킨 골재를 사용한 복합체의 압축강도는 32.2MPa로서 코팅하지 않은 골재 복합체에 비해 6배 이상 높은 값을 보였다.

코팅 골재를 사용한 복합체의 압축강도가 증진한 이유는 두 가지로 볼 수 있다. 첫째는 코팅 용액이 골재에 존재하는 기공을 미리 채워주어 복합체 성형시 골재의 액체 흡수를 억제시켰기 때문이다. 복합체를 성형할 때 첨가된 액체 일부가 골재 내부로 흡수될 경우, 모르타르의 유동성 및 작업성이 저하되어 모상과 골재 간 충진성 및 결합력이 떨어진다. 일반적으로 작업성은 골재의 형상, 입도, 첨가비율 등에 의해 영향을 받지만, 이와 같이 골재의 흡수율 역시 모르타르 작업성에 큰 영향을 미친다. 이런 현상은 실제 시멘트/골재 콘크리트 복합체에서 쉽게 관찰된다. 그러므로 골재를 미리 물에 담가 젖은 상태로 하거나, 골재에 알칼리 용액을 코팅하여 사용하면, 복합체 성형 시 골재가 흡수하는 액체량을 최소화할 수 있다. 따라서 성형 시 모르타르의 유동성이 감소하지 않아 결국 복합체 압축강도가 증진된 것으로 판단된다.

둘째는 코팅된 골재를 사용할 경우, 복합체 내부에서 골재와 모상(matrix) 간의 결합력이 매우 높아지기 때문이다. 규산나트륨 및 수산화나트륨 용액 모두 알칼리성이며 지오폴리머는 강 알칼리 환경에서 잘 형성된다. 골재에 코팅되어있는 알칼리성 용액은 복합체에서 모상/골재 경계 부분을 더 강한 알칼리 환경으로 만들어 준다. 따라서 모상/골재 경계에 존재하는 모상에서 지오폴리머 반응이 더 활발히 진행됨으로써 경계 부분에서의 강도가 증진되고, 이로 인해 복합체 전체적으로 압축강도가 향상된 것이다.

도 5는 코팅 용액의 종류에 따른 복합체의 모상/골재 경계 부분의 미세구조를 나타낸 사진(50배, 우측 하단의 테두리 부분은 25,000배)이다.

도 5를 참조하면, 50배로 확대한 미세구조의 사진상으로는 큰 차이점이 없으나, 25,000배로 확대시킨 사진을 보면, 코팅을 하지 않은 골재를 사용한 경우에 미세구조가 불균일하고, 기공이 더 많이 관찰되었다. 반면, 코팅된 골재를 사용한 복합체의 경우에 치밀하고 균일한 미세구조를 나타내었다. 또한 수산화나트륨 용액으로 코팅된 골재를 사용한 복합체의 경우, 작은 크기의 입자들이 관찰되는데 이는 지오폴리머 반응 생성물인 제올라이트 결정상으로 판단된다.

액고비에 따른 복합체의 압축강도

도 6은 지오폴리머/골재 복합체를 제조할 때 액고비(liquid/solid ratio, 중량 기준) 변화에 따른 압축강도를 나타낸 그래프이다. 이때 골재로는 16M 수산화나트륨 용액으로 코팅한 것을 사용하였다.

도 6을 참조하면, 액고비가 증가할수록 압축강도는 증가하는 경향을 나타내며, 0.7에서 가장 높은 압축강도를 보이고 0.7을 초과할 경우에는 감소하는 것을 알 수 있다. 전체적으로 액고비는 0.6~0.8 범위인 것이 바람직하고, 0.65~0.75인 것이 더욱 바람직하고, 0.7 부근, 즉 0.68~0.72인 것이 가장 바람직한 것이다. 액고비가 너무 작은 경우, 혼합 시 모상의 유동성이 충분치 못하여 골재와 접촉이 완전하지 못하고 부분적으로 빈 공간(void)이 남게 되어 낮은 압축강도를 나타낸 것이다. 따라서 액고비가 0.7까지 증가함에 따라 모르타르의 유동성이 증가하여 골재와 모상 간 접촉이 충분히 일어나서 시편의 압축강도가 증가하는 것으로 판단된다. 반면, 액고비가 너무 클 경우 유동성은 충분하나 과도한 수분에 의해 경화체 미세구조에 많은 기공을 발생시킨다. 따라서 본 실시예에서는 적절한 수분량으로 최적의 충진성을 나타내는 액고비를 0.7로 결정하였다.

도 7은 수산화나트륨 용액(농도 16M)으로 코팅한 골재를 사용하여 제조된 복합체의 액고비 변화에 따른 모상/골재 경계 부분의 미세구조를 나타낸 사진이다. 도 7에서 M으로 표시된 부분은 모상(matrix), A로 표시된 부분은 골재(aggregate)를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 골재(A) 단면을 보면 골재가 매우 다공성임을 확인할 수 있다. 액고비가 0.65일 경우 모상(M 표시)부분을 관찰하면, 균열(crack), 빈공간(void), 기공(pore) 등이 많이 존재하여 치밀하지 못한 미세구조를 갖는다. 반면 액고비가 0.7인 시편에서는 모상 부분이 매우 치밀하였다. 그러나 액고비가 0.7을 초과하는 시편들의 모상에서는 많은 기공과 균열이 발생하였다. 이러한 미세구조 결과를 압축강도 측정 결과(도 6 참조)와 연계 분석하면 모상/골재 경계 부분의 미세구조가 치밀할수록 복합체의 강도가 높다는 것을 알 수 있다

규산나트륨 용액 농도에 따른 복합체의 압축강도

도 8은 골재 코팅 규산나트륨 용액의 농도에 따른 복합체(액고비 0.7)의 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8을 참조하면, 물에 포함된 규산나트륨 함량이 높을수록 복합체의 압축강도는 증가하였으며, 40중량%에서 최고치를 나타내었다. 전체적으로 규산나트륨 용액 농도가 30~70중량%인 것이 바람직하고, 35~45중량%인 것이 더욱 바람직하고, 40중량% 부근, 즉 38~42중량%인 것이 가장 바람직한 것이다. 규산나트륨은 물을 첨가하면 가수분해되어 하기 반응식과 같이 알칼리성이 된다.

[반응식]

따라서 규산나트륨 첨가량이 높을수록 수용액에서 생성되는 수산화나트륨 량이 증가한다. 그러므로, 규산나트륨 함량이 높은 용액을 골재에 코팅하면 복합체에서 모상/골재 경계 부근의 지오폴리머 반응을 촉진하게 되므로 복합체의 강도를 높인 것으로 판단된다. 그러나 높은 규산나트륨 함량의 용액으로 코팅한 경우 복합체의 강도가 감소하는 것으로 보아 과도한 알칼리 환경이 지오폴리머의 중축합 반응을 방해한다고 판단된다.

수산화나트륨 코팅액 농도에 따른 복합체의 압축강도

도 9는 골재 코팅 수산화나트륨 용액의 농도에 따른 복합체의 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 9를 참조하면, 코팅 용액의 농도가 증가할수록 압축강도는 증가하는 경향을 나타내며, 16M에서 가장 높은 압축강도를 나타냈다. 이는 수산화나트륨 용액 농도가 증가함에 따라 모상 석탄회의 Si 및 Al 이온이 원활하게 용출되고, 이에 따라, 지올폴리머 반응이 활발하게 진행되어 압축강도가 증가된 것이다(비특허문헌 (17) 내지 (19) 참조). 그러나 16M을 과하게 초과하는 농도의 용액을 사용하면 Si 및 Al 이온의 용출은 원활히 일어나지만 동시에 중축합 반응을 방해하므로 복합체의 압축강도는 감소된다(비특허문헌 (20) 참조). 전체적으로 수산화나트륨 용액의 농도가 4~20M인 것이 바람직하고, 12~18M인 것이 더욱 바람직하고, 16M 부근, 즉 15.5~16.5M인 것이 가장 바람직한 것이다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. 실리카(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 포함하는 석탄회, 코팅 용액으로 코팅된 골재 및 알칼리 활성화제를 혼합, 성형 및 경화시켜 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 방법에 있어서,
   상기 코팅 용액은 30~70중량% 농도의 규산나트륨 용액 또는 4~20M 농도의 수산화나트륨 용액인 것을 특징으로 하는 지오폴리머/골재 복합체를 제조하는 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 혼합 시 액고비(liquid/solid ration, 중량기준)는 0.6~0.8인 것을 특징으로 하는 방법.
   

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